СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА Российский патент 2003 года по МПК G01L3/00 G01L3/04 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента, передаваемого вращающимися валами различных объектов.

Известен широкий спектр методов измерения крутящего момента, основанного на индуктивном, тензометрическом, магнитоупругом, фазометрическом, фотометрическом и ином комбинированном преобразовании крутящего момента в электрический сигнал (см., например, обзор Парфенова М.М. и Пчелинцевой В.Н. Современное состояние и перспективы развития преобразователей крутящего момента. М., ЦНИИТЭИ приборостроения, 1980).

Общим недостатком указанных способов измерения крутящего момента является их низкая универсальность, обусловленная разнообразием конструкций и режимов работы объектов техники.

Известен, в частности, фазометрический метод измерения крутящего момента, заключающийся в фотоэлектрическом формировании двух сигналов, сдвинутых по фазе на величину угла закручивания, и определении крутящего момента по величине разности фаз напряжений двух фототранзисторов, получающих световые импульсы от светодиодов через прорези растровых дисков (см. авт. св. СССР 1509640, G 01 L 3/04, 3/12, 1989).

В дополнение к общему недостатку приведенных в качестве аналогов методов измерения крутящего момента: низкой универсальности, данный метод обладает зауженным диапазоном измерения крутящего момента (большой величиной малых крутящих моментов).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения крутящего момента путем регистрации с помощью разнесенных датчиков двух периодических параметров, связанных с силовым режимом вращения вала и представляющих собой один из параметров рабочего цикла двигателя, например давление топлива у форсунки какого-либо цилиндра, и вибрацию на опоре вала двигателя, формирования на их основе сигналов, имеющих друг относительно друга фазовый сдвиг, в частности двух импульсных сигналов, и после их измерительной обработки, а именно получения с помощью измерителя временных интервалов величины фазового сдвига, вычисления величины крутящего момента (см. а.с. СССР 1583765, G 01 L 3/10, 1990).

Недостатками этого способа являются сниженные надежность и точность измерения, связанные с ухудшением помехоустойчивости.

Технический результат заявляемого способа - расширение области применения за счет повышения универсальности метода измерения и упрощения его эксплуатационных свойств, а также повышение надежности и точности измерения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения крутящего момента путем регистрации с помощью разнесенных датчиков двух периодических параметров, связанных с силовым режимом вращения вала, формирования на их основе сигналов, имеющих друг относительно друга фазовый сдвиг, и после их измерительной обработки вычисления величины крутящего момента, в качестве обоих периодических параметров используют частоту вращения вала, которую синхронно регистрируют с разнесением датчиков частоты на длину измерительного участка вала и преобразуют в два частотно-модулированных сигнала до выделения их разностной частоты биений, а крутящий момент определяют по формуле:
M_кр = K_Δϕ•K_в•F_б,
где F_б - частота биений, Гц;
K_Δϕ - частотный коэффициент закручивания вала,

где F_д - девиация частоты, Гц,
К_в - опорный коэффициент данного типа вала,

где G - модуль сдвига материала вала, н/м²,
J_p - полярный момент инерции сечения вала, м⁴,
L - длина измерительного участка вала, м.

Предлагаемый способ основан на вытекающем из возможностей частотно-модуляционного метода измерения выведении пропорциональности между угловыми характеристиками деформации кручения и разностной частотой биений

где Δϕ - угол закручивания вала,
ϕ = 2π - полный угол поворота вала.

Указанная зависимость получена в результате введения дискретизации по координате и времени для прямых упругих стержней и валов при рассмотрении их продольных и крутильных колебаний (см. книгу Маквецкого Е.Н. и Тарковского А. М. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. М., "Радио и связь", 1993, с.64; 72-74, выражения 4.25-4.28; с.78-80) и последующей, применительно к условиям деформации кручения (сдвига), ее адаптации и ее взаимосвязи через временную составляющую с известным в радиолокации в частотном методе измерения дальности соотношением между частотой биений и временем задержки:
F_б=2F_д•F_м•t_з,
где F_м - частота модуляции, равная частоте вращения вала,
t_з - время задержки, временной сдвиг двух периодических параметров друг относительно друга,
(см. книгу Финкельштейна М.И. Основы радиолокации, М., "Радио и связь", 1983, с.113, формула 2.8.2).

Из этого соотношения вытекает зависимость между угловыми характеристиками деформации кручения и разностной частотой биений.

Действительно, при разностной частоте биений
F_б=2F_д•F_м•t_з,
имеет место равенство:

которое после перемножения и деления правой его части на 2π приходит к искомой зависимости:

где - относительный угол закручивания вала, 2πF_мt_з = Δϕ - угол закручивания вала, который составляет указанное выражение в соответствии с известной методикой определения разности фаз между двумя колебаниями одинаковой частоты (см. книгу Кушнир Ф.В. и Савенко В.Г. Электрорадиоизмерения. Л., "Энергия", 1975, с.307).

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - временные диаграммы электрических сигналов.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит датчики 1 и 2 частоты вращения вала, установленные на границах измерительного участка вала и выходами соединенные через триггеры Шмитта 3 и 4 и делители частоты 5 и 6 с входами интеграторов 7 и 8, снабженных, в свою очередь, на выходе усилителями напряжения 9 и 10, соединенными с модуляционными входами генераторов качающейся частоты 11 и 12. Последние своими выходами соединены с входами смесителя 13, на выходе снабженного фильтром низкой частоты 14, соединенного, в свою очередь, с входом вычислителя 15, снабженного на выходе цифровым индикатором 16.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

С помощью разнесенных вдоль вала фотоэлектрических (или индуктивных) датчиков 1 и 2 частоты вращения вала (см. фиг.1) синхронно снимают с вращающегося вала два сдвинутых по фазе друг относительно друга сигнала с частотой, пропорциональной частоте вращения вала.

Прошедшие через триггеры Шмитта 3 и 4 и делители частоты 5 и 6 подготовленные сигналы подают на интеграторы 7 и 8, с которых снимают сигналы в пилообразном виде, с треугольной формой, и пропускают их через усилители напряжения 9 и 10 на генераторы качающейся частоты 11 и 12 для обеспечения периодической частотной модуляции и сохранившие фазовый сдвиг, сформированные частотно-модулированные сигналы, а именно, опорный сигнал (с датчика 1) с частотой f₀(t) и сдвинутый сигнал (с датчика 2) с частотой f_с(t) (см. фиг. 2а), подают на смеситель 13.

В результате смешения (сложения) двух частотно-модулированных сигналов на входе смесителя образуются биения. Мгновенная частота биений равна абсолютному значению разности мгновенных значений частот сдвинутых друг относительно друга частотно-модулированных сигналов |F_б(t)| = |f₀(t)-f_c(t)|, где f₀(t) - мгновенное значение частоты опорного сигнала; f_c(t) - мгновенное значение частоты сдвинутого сигнала (см. фиг.2,б,в). После детектирования в смесителе фильтром низкой частоты 14 выделяют преобразованный сигнал, имеющий частоту биений F_б.

С помощью вычислителя 15 по указанной в настоящем описании формуле вычисляют величину крутящего момента, передаваемого вращающимся валом, М_кр, которую регистрируют с помощью цифрового индикатора 16.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента, передаваемого вращающимися валами различных объектов. С помощью разнесенных на длину измерительного участка вала датчиков частоты его вращения синхронно снимают два имеющих друг относительно друга фазовый сдвиг сигнала, которые преобразуют в два частотно-модулированных сигнала до выделения их разностной частоты биений и определяют крутящий момент по формуле: M_кр = K_Δϕ•K_в•F_б, где F_б - частота биений, Гц; K_Δϕ - частотный коэффициент закручивания вала, где F_д - девиация частоты, Гц; К_в - опорный коэффициент данного типа вала, где G - модуль сдвига материала вала, н/м², J_р - полярный момент инерции сечения вала, м⁴, L - длина измерительного участка вала, м. Технический результат: расширение технологических возможностей, повышение точности. 2 ил.

Способ определения крутящего момента путем регистрации с помощью разнесенных на длину измерительного участка вала датчиков двух периодических параметров, связанных с силовым режимом вращения вала, формирования на их основе сигналов, несущих информацию о закручивании вала, и оценки величины крутящего момента в результате вычислительной обработки последних, отличающийся тем, что в качестве обоих периодических параметров используют частоту вращения вала, на основе которой формируют два частотно-модулированных сигнала, полученных подачей сигналов датчиков, предварительно преобразованных в два модулирующих сигнала пилообразного вида, например, треугольной формы, на входы двух генераторов качающейся частоты, смешивают сформированные частотно-модулированные сигналы до выделения их разностной частоты биений, по которой судят о величине крутящего момента, определяемой по формуле
M_кр = K_Δϕ•K_в•F_б,
где F_б - частота биений, Гц;
K_Δϕ - частотный коэффициент закручивания вала,

где F_д - девиация частоты, Гц;
К_в - опорный коэффициент данного типа вала,

где G - модуль сдвига материала вала, н/м²;
J_р - полярный момент инерции сечения вала, м⁴;
L - длина измерительного участка вала, м.